Процесс электроплавки сульфидных медно-никелевых материалов на штейн

· Средства формирования и управляющих воздействий в системе - микропроцессорный контроллер и промышленный компьютер;

· Средства преобразования и представления информации оперативному персоналу - монитор и принтер.

Система автоматического контроля и регулирования реализована с помощью следующих технических средств:

· Контроль выдачи шлака: фотореле ФР-2У, установка закреплена над желобом.

· Контроль заливки шлака: фотореле ФР-2У.

· Контроль положения электродов электропечи: датчик положения электродов УПЭ-3Э.

· Расход воды на грануляцию: диафрагма камерная ДКН-10 - дифманометр мембранный бесшкальный, перепад 1600 кГс/м². ДМ 3583М - прибор с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой, перепад 0,4 кГс/см², шкала 0-1600 м³/час.

· Давление воды на короткую сеть печного трансформатора, давление воды, поступающей на грануляцию: манометр дистанционный бесшкальный, предел измерения 4 кГс/см², МЭД мод. 2364 - прибор с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой, 0 - 4 кГс/см².

· Температура боковых стен печи: термопара ХА, предел измерения 0 - 1100⁰, ТХА (термопары расположены на боковой стороне печи внутри футеровки, на уровне шлакового расплава, количество 12 единиц).

· Температура подины печи: термопара ХА, предел измерения 0 - 1100⁰, ТХА (термопары расположены в подине печи внутри футеровки, под электродом, 6 единиц).

· Разряжение в газоходах печи: прибор первичный колокольный с ферродинамическим датчиком, предел измерения 16 кГс/м². ДКМОМФ-Т - прибор вторичный с ферродинамическим компенсатором. ВФС-М-40100 - переключатель УП 5311-А23 - указатель положения ДУП-М - исполнительный механизм МЭО-63 - заслонка регулирующая.

· Температура в газоходах печи: термопара ХА, предел измерения 0 - 1100⁰, ТХА (количество 6 единицы)

· Разряжение в сборном газоходе и подсводовом пространстве печи: тягонапоромер в прямоугольном корпусе, шкала 125 мм вод. ст. ТМНП-52.

· Концентрация СО₂ в газоходе и подсводовом пространстве: оптико-акустический газоанализатор ГИАМ-1 - вторичный прибор КСД-2.

· Концентрация SО₂ в газоходе и подсводовом пространстве: газоанализатор ДТ 3221.

· Контроль напряжения на электроде: И - 523, - вторичный прибор Е-724-У/1.

· Контроль силы тока между электродами: И - 523.

· Контроль расхода шихты: 4195Пр.

· Контроль температуры штейна на выходе из печи: АПИР - С.

· Контроль температуры шлака на выходе из печи: АПИР - С.

· Контроль влажности шихты загружаемой в печь: Нейрон - 3М, вторичный прибор ДВН - 2.

· Контроль заполнения печных бункеров: Эхо - 3, вторичный прибор ИПП - 3.

· Контроль масла печных трансформаторов: ТСП - 0879.

· Контроль напряжения на высокой стороне печного трансформатора: И - 523.

· Контроль электрической мощности печи: Е - 728 - У/1.

· Контроль расхода электроэнергии: САЗУ - 4670Д [16].

Несмотря на большое количество контролируемых параметров, руднотермическая печь представляет собой сложный объект управления. Это связано прежде всего с причинами, описанными в разделе 3.1. Однако, с учетом важности процесса, надо заметить, что развитие автоматизации электропечного передела крайне необходимо для повышения эффективности плавки. На данный момент управление большей частью технологических параметров печи осуществляется вручную. Внедрение в агрегат электроплавки АСР позволит достичь оптимальных параметров процесса, минимизировать расходы и повысить экономическую рентабельность производства.

3.2 Комплексная автоматизация руднотермической печи

Электроплавка является одним из важнейших, перспективных и технологически более совершенных процессов цветной металлургии. Как было отмечено выше, процесс плавки медно-никелевых руд в электропечах характеризуется совокупностью достаточно сложных физико-химических процессов, взаимодействующих между собой. Для управления таким сложным объектом, как руднотермическая электропечь, необходимо обеспечить автоматический контроль и стабилизацию на определенном уровне входных и выходных материальных и энергетических потоков. Система автоматизации должна охватывать весь технологический цикл от загрузки шихты до выпуска продуктов плавки, согласованный с тепловым, электрическим и газовым режимом печи.

Автоматический контроль перемещения электродов

Как было отмечено выше, величина заглубления электродов в шлаковый расплав оказывает существенное влияние на режим рудной электроплавки. Однако из-за отсутствия серийно выпускаемых приборов автоматический контроль заглубления электродов не проводится. В схемах автоматизации действующих РТП предусматривают только сигнализацию положения электродов на верхнем и нижнем концевых выключателях.

Устройства для контроля перемещения электрода

В институте «НИИАвтоматика» разработан и внедрен в производство на ряде руднотермических печей цветной металлургии указатель положения электродов типа УПЭ - 1. Принцип действия прибора основан на преобразовании поступательного движения электрода при помощи индукционного датчика в электрический сигнал, измеряемый щитовым показывающим прибором, отградуированным в единицах длины.

Индукционный датчик (рис. 3.1, б) устанавливают на стойке концевых выключателей электродов. Механическая связь электрода с датчиком осуществляется при помощи стального изолированного тросика. При движении электрода вниз тросик сматывается со шкива (1), сжимая пружину (2). Вращательное движение шкива через редуктор (3) передается па лекало (4) и преобразуется в поступательное движение плунжера стандартной индукционной катушки 1ИК (5).

Электрическая схема указателя УПЭ-1 показана рис. 3.1, а. Измерительный блок, включающий в себя индукционную катушку 2ИК, выпрямительный мост В, показывающий прибор П и сопротивления R₁, R₂, R₃ устанавливают на пульте управления.

Индукционная катушка 2ИК, вторичная обмотка которой включена последовательно и встречно со вторичной обмоткой 1ИК, служит для установки показывающего прибора на начало отсчета (электрод на верхнем концевом выключателе). Сопротивлениями R₁ и R₂ прибор устанавливают на максимум (электрод па нижнем концевом выключателе). Сопротивление R₃ служит для подключения регистрирующего потенциометра на 100 мВ для записи перемещения электрода или для использования электрического сигнала перемещения электрода в системе оптимального управления режимом плавки. Питание индукционных катушек осуществляется чем трансформатор Т и стабилизатор С.

Предел измерения указателя составляет 110 см, погрешность измерения ±2,5%. Индукционный датчик может работать в комплекте с дифференциально - трансформаторным прибором или (для получения унифицированного сигнала 0 - 5 мА) преобразователем ПТ - ДТ - Л.

Методы и устройства для измерения заглубления электродов

Создание устройства для непрерывного измерения глубины погружения электрода в шлаковый расплав является важной и достаточно сложной задачей, решение которой позволило бы обеспечить рациональное управление технологическим процессом плавки, электрическим режимом печи и режимом спекания электродов. В практике эксплуатации печей и при исследованиях применяют различные методы периодического контроля величины заглубления электродов. Отдельные устройства для измерения заглубления электродов, описанные в литературе, находятся в стадии разработки.

Обычно при исследованиях глубину погружения электродов измеряют периодически по отметкам, сделанным на кожухе электрода. Момент касания электрода с расплавом определяют по показаниям амперметра и вольтметра. Связь между площадкой наварки кожуха и пультом управления осуществляют при помощи сигнализации или полевого телефона.

Величину заглубления определяют методом прямого измерения путем нащупывания нижнего торца электрода загнутой железной штангой с рабочей площадки на своде печи. Подобное измерение является трудоемкой операцией и требует отключения печи.

Применяют также метод контроля глубины погружения электрода при помощи троса через капал в электроде. В электрод по всей длине предварительно монтируют железную трубу, через которую в печь вставляют изолированный трос. Момент касания расплава определяют по амперметру, включенному последовательно с тросом во вторичную обмотку вспомогательного трансформатора.

На ферросплавных печах также применяют устройство для контроля перемещения электродов, состоящее из неподвижной шкалы и указателя, связанного тросовой передачей с механизмом перемещения электрододержателей. Ежедневно измеряют фактическую длину электрода и задают глубину погружения на предстоящие сутки. При этом стрелку указателя устанавливают против соответствующей цифры на неподвижной шкале. В процессе работы печи по шкале осуществляют отсчет фактического отклонения глубины погружения от заданной. Данные о перемещении всех электродов фиксируются на ленте регистрирующего прибора; на этой же ленте нанесена для контроля прямая, отвечающая заданной глубине погружения в функции времени с учетом обгорания электрода.

Автоматизация дозирования компонентов шихты и загрузки печных бункеров

Хорошая шихтоподготовка сырья, поступающего в руднотермическую печь, имеет решающее значение для улучшения режима и технико-экономических показателей электроплавки.

На действующих медно-никелевых заводах шихта для плавки составляется на транспортерной ленте, проходящей под бункерами шихтарника. На большинстве руднотермических печей дозирование по массе компонентов шихты отсутствует. Соотношение отдельных компонентов устанавливается обслуживающим персоналом изменением положения ножей тарельчатых питателей. Такой метод шихтовки является приближенным и не удовлетворяет требованиям технологии. Общее количество шихты, подаваемой в печные бункера, обычно измеряют конвейерными весами типа ЛТМ, встроенными в ленточные транспортеры. Количество залитого в печь оборотного конвертерного шлака учитывают по числу и объему ковшей с периодическим контрольным их взвешиванием. Аналогичным образом учитывают количество выданного штейна и отвального шлака.

В практике действующих заводов опробование рудного сырья (руды и окатышей) осуществляют вручную. Пробы отбирают методом отсечения с транспортерной ленты. Жидкие продукты плавки также отбирают вручную специальной ложкой во время выпуска в ковши (три пробы на ковш) или на грануляцию (через каждые 15 мин). Сырье и продукты плавки анализируют лабораторными методами. Вследствие длительности анализов корректировку состава шихты осуществляют только по составу продуктов плавки за предыдущие сутки. Результаты анализа используют для составления баланса и контроля производства.

Непрерывная саморегулирующая загрузка шихты (без разрыва, «на электрод»), внедренная на рассматриваемых печах, упрощает решение вопроса автоматизации загрузки и уменьшает возмущающие воздействия по каналу загрузки. Однако плохо подготовленная и недостаточно подсушенная шихта в зимнее время часто забивает течки, что приводит к неравномерной подаче шихты по электродам. Большим возмущением по загрузке является опрокидывание откоса шихты в расплав, что вызывает хлопок (взрыв). Крупные взрывы разрушают свод и печи создают опасные условия труда. Периодическая заливка конвертерного шлака, изменяющего химический состав и проводимость расплава в области штейновых шпуров, является также существенным возмущением как технологического, так и электрического режима.

Как было отмечено выше, существующие системы автоматической загрузки печных бункеров, осуществляющие последовательное заполнение бункеров шихтой по сигналам уровнемеров верхнего и нижнего уровня, не обеспечивают раздельной переработки руды и окатышей в печи. В результате на ряде предприятий загрузку осуществляет загрузчик, дистанционно управляя стационарными и реверсивными транспортерами и визуально контролируя наполнение печных бункеров.

Ниже приведено описание отдельных серийно выпускаемых и новых устройств и систем автоматизации, вторые рекомендуют для использования на руднотермических печах цветной металлургии при автоматизации процессов шихтоподготовки и загрузки шихты в печные бункера.

Автоматическое дозирование компонентов шихты

Сущность дозирования заключается в том, чтобы установить определенный расход и весовое соотношение материалов, составляющих шихту.

В практике работы металлургических заводов применяют объемный и весовой методы дозирования. При объемном дозировании расход материала регулируют перемещением ножа или изменением скорости вращения тарели тарельчатого питателя. Погрешности при объемном дозировании весьма значительны, они обусловлены изменением количества материалов в бункерах, их гранулометрическим составом, влажностью и др. При автоматическом весовом дозировании шихтовых материалов обеспечивается заданный режим работы с требуемой точностью независимо от внешних и внутренних возмущающих воздействий на процесс. Применение весового дозирования позволяет в несколько раз уменьшить погрешности, допускаемые при объемном дозировании.

Весоизмерительные и дозирующие устройства

Основным элементом системы автоматического весового дозирования является датчик веса (весоизмеритель, дозатор). В настоящее время в России серийно выпускают несколько типов весоизмерителей, предназначенных для взвешивания и дозирования шихтовых материалов. Наиболее широко на металлургических заводах применяют весоизмерители и дозаторы типа ЛТМ, ЛДА, ВЛ.

Весы типа ЛТМ, встраивающиеся в стандартные транспортеры, предназначены для определения данных о производительности транспортера и количестве прошедшего материала.

Ленточные автоматические дозаторы ЛДА, разработанные в институте НИКИМП, предназначены для непрерывной выдачи различных сыпучих материалов из бункеров с заданной весовой производительностью. Выпускают несколько типоразмеров дозаторов по наибольшей производительности дозирования (от 12 до 130 т/ч).

Дозатор ЛДА состоит из электровибрационного питателя с вибродвигателем и весового ленточного транспортера. Вибрационный питатель подвешивают на рессорах к горловине расходного бункера, весовую часть рамой опирают на специальную опорную металлоконструкцию. Транспортер является весовой платформой, на которой осуществляется непрерывный весовой контроль дозируемого материала. Блок управления дозатором монтируют в отдельном шкафу.

К недостаткам дозаторов ЛДА следует отнести значительное превышение допустимой погрешности дозатора (±2%) вследствие зависания материалов в бункерах. Сравнительно большие габариты дозаторов требуют существенной реконструкции бункеров при установи их на действующих агрегатах.

Ленточный весоизмеритель ВЛ, разработанный специальным конструкторским бюро «Цветметавтоматика» представляет собой короткий транспортер, установленный на платформе товарных рычажных весов, помещенной между ветвями транспортера. В качестве привода транспортера весоизмерителя применен асинхронный электродвигатель, вращение которого передается па ведущий барабан транспортера через редуктор и цепную передачу. При постоянной скорости движения. ленты транспортера масса материала на ленте в каждый момент времени определяется мгновенным значением расхода дозируемого материала.

Транспортер с двигателем и редуктором устанавливают на платформе рычажных весов ВСР-1 и уравновешивают перемещением дополнительного груза на коромысле весов, которое тягой связано с платформой циферблатных квадрантных весов ВНЦ-10. Принцип их действия заключается в том, что при нарушении равновесия систем изменяется плечо, на которое действует вес контргруза - квадранта, вследствие чего равновесие восстанавливается автоматически при новом положении весовой системы. С рычажной системой квадрантных весов сочленена стрелка, а с основным коромыслом рычажных весов - два индукционных датчика индукционно-телеметрической и дифференциально-трансформаторной системы. Данные с весоизмерителя передаются на регистрирующий и суммирующий прибор, а изменение веса является импульсом для регулирования в системе автоматического весового дозирования.

Весоизмеритель ВЛ-1058 рассчитан на расходы от 30 до 200 т/ч. Изменение пределов измерения достигается применением редуктора и цепной передачи с соответствующими передаточными отношениями. Весоизмеритель ВЛ - 1059 выпускают с пределами измерений от 0,3 до 5 т/ч. Основная погрешность взвешиваний составляет 1,5%.

Взвешивание расплавленных шлаков. и шлейной относится к наиболее сложным проблемам весоизмерительной техники. Объемные измерения расплавленных масс в ковшах, применяемые в настоящее время на металлургических заводах, являются ориентировочными и не могут быть использованы в системах автоматического регулирования и управления. Поскольку основным средством транспортирования расплавленных масс между агрегатами металлургического цеха являются мостовые краны, проблему взвешивания указанных продуктов решают путем создания крановых весов.

Специальным конструкторским бюро испытательных машин создан опытный образец крановых электронно-тензометрических весов марки 596К50, предназначенных для взвешивания в ковшах расплавленной массы штейна, шлака и других материалов. Пределы взвешивания составляют от 5 до 50 т; допускаемая погрешность ±2%. Взвешивание осуществляется при помощи тензометрических датчиков сжатия (проволочных преобразователей). Результаты взвешивания демонстрируются на указательном приборе, который устанавливают в кабине крановщика, а также на вторичном цифровом табло, устанавливаемом снаружи кабины крана. Управляет весами крановщик с пульта управления, в котором для удобства также вмонтированы миниатюрные цифровые табло.

Система автоматического регулирования дозировки компонентов шихты

Для автоматизации процесса приготовления шихты, поступающей на плавку в Руднотермические электропечи, может быть рекомендована типовая система автоматического регулирования непрерывной дозировки компонентов шихты, разработанная конструкторским бюро «Цветметавтоматика».

Компоненты шихты при бункерном методе шихтовки должны смешиваться в соответствии с металлургическим расчетом, в результате которого вычисляют соотношения между их массами. Для осуществления этих соотношений необходимо осуществлять прямое непрерывное измерение и регулирование расхода компонентов шихты по массе.

Каждый из компонентов шихты подается на сборный транспортер при помощи питателя и проходит через весоизмеритель. Точность соблюдения заданного состава шихты существенно зависит от характеристик питателей и регулирующих органов, а также от физических свойств дозируемых материалов (влажность, крупность, сыпучесть).

Автоматическая загрузка печных бункеров

Система загрузки шихты в электропечь должна обеспечивать максимальный проплав шихты при ограничениях по потерям металла с отвальными шлаками и удельному расходу электроэнергии. При этом предъявляют требования безопасности условий работы, защиты стен печи от действия шлакового расплава, возможности полной механизации и автоматизации процесса загрузки [1].

Стремление обеспечить максимальный проплав шихты при высоком тепловом коэффициенте полезного действия электропечи отразилось на характере загрузки материала в печь: плавку руды и концентрата ведут, создав на поверхности шлаковой ванны откосы шихты в виде конических куч, плавающих в расплаве.

В настоящее время шихту в руднотермические печи загружают двумя способами: с «разрывом» потока шихты и «без разрыва».

Электропечи старой конструкции загружают с «разрывом» потока шихты при помощи скребковых транспортеров, проходящих вдоль обеих сторон печи, и системы загрузочных точек, подающих шихту в подсводовое пространство. Для прекращения подачи шихты в печь в трубах загрузочных течек выполнены рычажные затворы (шиберы). Путем открытия шиберов загрузчик догружает те или иные кучи по мере их оседания. Система транспортировки и распределения шихты по длине печи при помощи скребковых транспортеров не приспособлена для автоматизации. В связи с этим загрузочные приспособления на вновь построенных печах подвергли коренному изменению.

Загрузка шихты в новые печи «без разрыва» осуществляется из двенадцати печных бункеров (по шесть бункеров с каждой стороны печи), расположенных над печью. У каждого бункера имеется по три течки, из которых через две центральные загружают шихту к электродам и одну боковую - к стенам печи. Центральные течки снабжены подвижной телескопической насадкой, которая дает возможность регулировать высоту конуса шихты. Из печных бункеров шихта самотеком поступает в печь, образуя конусы. По мере плавления шихты, конусы оседают и непрерывно пополняются шихтой из печных бункеров. Шихту в печные бункера подают при помощи ленточных стационарных и реверсивных транспортеров, расположенных по обе стороны печи.

Сравнение двух способов загрузки показывает, что загрузка без разрыва обладает бесспорными преимуществами вследствие того, что происходит саморегулирование загрузки и образуются шихтовые кучи постоянной высоты. Однако при этом способе предъявляют повышенные требования к подготовке шихты, ибо недостаточно подготовленная шихта забивает течки и перестает поступать в печь. При этом нарушается соответствие количества шихты, загружаемой в печь, плавильной способности печи. Недогрузка печи сопровождается перегревом шлака и высоким расходом электроэнергии.

Я.Л. Серебряным [1] подробно рассмотрены способы «центральной загрузки» шихты и «загрузки на электрод», их преимущества и недостатки.

Откосы шихты в печи, расположенные у электродов, называются центральными, а откосы, находящиеся возле продольных стен, - боковыми. Они в основном служат для защиты стенок печи от действия шлакового расплава. Поскольку центральные откосы шихты располагаются вблизи зоны максимальных тепловыделений, то они подплавляются быстрее, чем боковые. Поэтому основную массу шихты загружают ближе к электродам. Такую загрузку называют центральной. При центральной загрузке на поверхности ванны между электродом и основанием конусов откосов существует открытый участок шлаковой ванны, обеспечивающий вследствие высокой температуры и интенсивного движения конвекционных потоков шлака форсированное плавление шихты. Недостатком центральной системы загрузки является плохая устойчивость высоких откосов при влажной шихте и большом количестве мелочи, что приводит к опрокидыванию откосов шихты в расплав и взрывам - «хлопкам».

Чтобы устранишь опрокидывание откосов шихты в расплав, на комбинате «Печенганикель» была освоена раздельная плавка руды и концентрата в одной печи. При приготовлении шихты руду и концентрат не смешивают, а загружают в печь раздельно, в результате чего образуются «чисто» рудные и «чисто» концентратные откосы. Концентратные откосы, погруженные в ванну расплава на меньшую глубину, чем рудные, при разрушении не создают хлопков - взрывов.

На Норильском комбинате предложена система загрузки шихты «на электрод», обеспечивающая хорошую устойчивость откосов шихты. При этом ликвидируется участок открытой ванны вокруг электрода и прекращается выбивание факела раскаленных газов через зазор между электродом и сводом. В результате уменьшаются потери тепла с газами и улучшается подготовка шихты к плавке вследствие предварительного прогрева ее потоками газов, проходящих через откосы. Последнее обстоятельство обеспечивает рост производительности печи и снижение расхода электроэнергии.

При загрузке «на электрод» высота завалки электрода шихтой зависит от ее объемной массы, расположения загрузочных воронок относительно электрода и высоты откоса шихты над уровнем ванны. При плавке более тяжелой рудной шихты превышение допустимых пределов уровня завалки электрода приводит к нежелательно последствиям: чрезмерному погружению электрода в расплав, отклонению оси электрода от вертикали («перекосу» электрода), поломки рабочего конца электрода.

На отечественных предприятиях, перерабатывающих медно-никелевое сырье, рациональную систему загрузит выбирают исходя из конкретных условий плавки и перерабатываемого сырья. Для тех печей, где внедрен способ непрерывной загрузки без разрыва потока шихты, независимо от принятой системы загрузки - «центральной» или «на электрод», автоматизация процесса сводится к автоматическому заполнению печных бункеров шихтой. На некоторых руднотермических печах внедрена система автоматической загрузки, осуществляющая последовательное заполнение печных бункеров шихтой по сигналам уровнемеров верхнего и нижнего уровня. Указанная система не обеспечивает раздельной переработки руды и окатышей в печи. К недостаткам системы следует отнести также выполнение ее с применением контактных реле.

В институте «НИИАвтоматика» разработана система автоматической загрузки печных бункеров, выполненная на бесконтактных логических элементах серии «Логика». Отличительной особенностью системы является обеспечение раздельной загрузки руды и окатышей в печные бункера (окатыши загружают в печные бункера электродов №3 и 4) по сигналу от датчика нижнего уровня, в зависимости от веса или времени.

Система управляет комплексом взаимосвязанных механизмов (аспираторы; тарельчатые питатели; весоизмерители; стационарный, промежуточный и реверсивный транспортеры), предназначенных для транспортировки и загрузки шихты в печные бункера.

Система предусматривает контроль и сигнализацию следующих параметров: верхнего и нижнего уровней шихты в главных и печных бункерах; наличия шихты на ленте стационарного транспортера; аварийного пересыпания шихты в бункерах; исправности лент транспортеров; схода шихты из печных бункеров.

Конструктивно система состоит из датчиков, устанавливаемых по месту; пульта управления и сигнализации с мнемосхемой; логического устройства автоматического управления загрузкой.

При выборе датчиков особое внимание уделяли обеспечению надежности системы в условиях металлургического производства (абразивности материала, запыленности, загазованности и т.п.).

Автоматическое измерение ровня расплава в печи

Существует большое число приборов для измерения уровней жидких и сыпучих сред, различающихся принципом действия и конструктивными особенностями. Контроль уровня расплавленного металла относится к наиболее сложным проблемам техники измерения уровня. Высокие температуры сред, их большая плотность и агрессивность исключают применение большинства методов контроля. Для определения уровня расплавленного металла из всех методов непосредственного контакта применяют лишь электроконтактный а из бесконтактных - радиоактивный, акустический и др. Особую трудность представляет автоматический контроль уровня раздела двух сред.

На действующих РТП для плавки медно-никелевых руд уровень шлака и штейна до последнего времени измеряли вручную стальным ломиком через замерочное отверстие, расположенное в своде печи. Длина замерочного ломика составляла ? 5 м, диаметр 20 мм. Для замера уровней шлака и штейна ломик опускают вертикально в расплав и выдерживают в ванне до 1 мин. По извлечении из расплава на замерочном ломике наблюдают достаточно четкую границу между штейновым и шлаковым слоями - конец ломика, находившийся в штейне, покрыт тонкой коркой шлака, а часть ломика, соприкасавшаяся со шлаковым слоем, покрыта толстой коркой. Замерочный ломик укладывают на рабочей площадке рядом с контрольным и по отметкам, нанесенным на контрольном ломике, отсчитывают уровень шлака и штейна. Замер осуществляют при отключении печи 1 - 2 раза в смену, что является трудоемкой операцией и приводит к излишним простоям печи.

Методы и устройства для контроля уровня расплава

Радиоактивный метод. Для индикации уровня жидкости металла в металлургической промышленности в последнее время широко применяют радиоизотопные гамма-реле, схема монтажа которых определяется конкретными условиями технологического процесса.

Метод контроля уровня шлака при помощи радиоактивных изотопов был опробован в черной металлургии при доменной плавке. Схема установки излучателя и счетчика в горне доменной печи показана на рис. 3.3. В шлаковую летку 1 в охлаждаемой трубке устанавливают радиоактивный датчик 2. В воздушной фурме 3 в охлаждаемой трубке размещают счетчик 4, соединенный с пересчетной установкой 5. Интенсивность излучения, фиксируемая фурменными счетчиками, зависит от высоты слоев шлака и кокса, находящихся на пути пучка гамма-лучей между шлаковыми и воздушными фурмами. При повышении уровня шлака в горне поглощение излучения увеличивается и интенсивность ослабляется пропорционально изменению уровня. Для каждой нары шлаковой и воздушной фурм на основании экспериментальных данных составляли градуировочную таблицу, по которой определяли уровень продуктов плавки в горне.

Схема установки радиоактивного уровнемера

Опыт применения радиационных датчиков уровня в черной металлургии позволяет предположить о принципиальной возможности контроля уровня ванны в РТП при помощи радиоактивных приборов. Однако следует отметить, что применение указанного метода в условиях рудной электроплавки медно-никелевого сырья осложняется большой агрессивностью шлака, а также наличием корок па поверхности ванны и настылей у торцовых стенок печи.

Ультразвуковой метод. Для измерения уровня расплавленного металла и шихты в металлургических агрегатах также применяют ультразвуковые уровнемеры, работа которых основана на принципе локации сверху.

Вырабатываемые генератором электрические колебания формируются передающим преобразователем в электроакустические и излучаются внутрь агрегата в направлении раздела газ - расплав. Отраженные от границы раздела колебания принимаются, трансформируются приемным электроакустическим преобразователем и поступают в усилитель. Время прохождения сигнала но акустическому тракту, пропорциональное расстоянию от свода до поверхности расплава либо шихты, измеряется специальной электронной схемой. Измеренное значение уровня регистрируется вторичным прибором.

При использовании ультразвуковых уровнемеров в металлургических агрегатах существенную роль играет температурная и концентрационная погрешность прибора. Как известно, температурная погрешность прибора, построенного по методу акустической импульсной локации через газ, определяется изменениями скорости звука в связи с изменениями температуры газа. Концентрационная погрешность измерений определяется изменениями концентрации составляющих газовой среды.

При измерении уровня шихты в шахтной печи для предохранения преобразователя от загрязнения и предотвращения конденсации паров воды в патрубок-волновод непрерывно подается воздух, что существенно улучшает условия работы преобразователя, а также позволяет уменьшить температурную и концентрационную погрешность прибора.

Измерение уровня расплава в печи при помощи ультразвуковых датчиков возможно только при наличии участка с постоянно чистым зеркалом ванны. В руднотермической печи для плавки медно-никелевых руд при существующей системе загрузки печи шихтой практически вся поверхность расплава закрыта шихтовыми кучами. Кроме того, в руднотермической печи в результате сильных электрических и магнитных полей уровень помех может быть недопустимо высоким. Указанные обстоятельства ставят под сомнение возможность применения ультразвуковых уровнемеров в руднотермических печах.

Определить границу шлака и штейна в руднотермической печи при помощи ультразвукового прибора невозможно, так как акустические сопротивления шлака и штейна весьма близки по величине.

Термоэлектрический метод. Из других бесконтактных методов измерения уровня определенный интерес представляет метод контроля уровня жидкого металла при помощи тепловых датчиков. В Германии разработан термоэлектрический способ измерения уровня жидкого металла в установках непрерывной разливки стали, основанный на том, что температура стенок кристаллизатора по его высоте зависит от уровня жидкого металла.

Для контроля температуры по высоте кристаллизатора в его стенку с определенными интервалами ввинчивают термозонды, представляющие собой термопары, закрепленные в специальном держателе. Термоэлектродвижущая сила U_t термопары замеряется соответствующим прибором. Сравнивая U_t с эталонной э.д.с. (U_э), которая соответствует температуре, а следовательно, и уровню металла, можно установить, до какого зонда дошел уровень металла. В термоэлектрическом уровнемере (рис. 3.4) каждый термозонд 1 присоединен к контакту обегающего устройства 2, который подключает соответствующий термозонд к источнику эталонной э.д.с. 3. Разность напряжении (U_t - U_э) подается на усилитель 4. На выходе усилителя включен электродвигатель 5, напряжение вращения которого зависит от знака сигнала рассогласования. Электродвигатель перемещает коммутатор обегающего устройства до тех пор, пока рычаг его не остановится на контакте с последним термозондом, до которого дошел жидкий металл. Коммутатор связан с указателем 6, показывающим уровень расплава.

Блок-схема термоэлектрического уровнемера

Рассматривая возможность применения термоэлектрического уровнемера в руднотермической печи следует учитывать значительную толщину футерованной стенки печи, а также наличие настылей у стенок, что значительно снижает чувствительность замера.

Электроконтактный метод. Предложен ряд устройств для измерения уровня расплава в металлургических печах электроконтактным методом, где в качестве датчиков используют измерительные электроды (ИЭ), вводимые в печь до контакта с расплавом.

Во ВНИИцветмете разработан уровнемер расплава, основанный на контактном методе измерения уровня (рис. 3.5). ИЭ 1, выполненный из проводящего материала, перемещается в вертикальной плоскости при помощи электродвигателя 2. Релейная следящая системa 3 обеспечивает перемещение ИЭ так, чтобы он всегда касался шлаковой ванны, не отрываясь от верхнего ее уровня. Измерение уровня расплава осуществляется при помощи реостатного датчика 4, связанного с положением ИЭ через редуктор. Реостатный датчик включен в мостовую измерительную схему вторичного прибора 5, отградуированного в единицах длины.

В схему введена автоматическая компенсация обгорания ИЭ посредством периодического контроля его длины при помощи фотореле 6. ИЭ поднимается из печи, в момент прохождения его раскаленного конца точки установки датчика срабатывает фотореле, и электрод останавливается. При помощи электрической мостовой схемы сравнивается фактическая длина ИЭ с первоначальной и по разности их в измерительную схему автоматически вводится поправка на обгорание электрода.

Рассмотренный уровнемер может быть использован также для раздельного измерения уровнен компонента расплава. Измерение уровней раздела осуществляется по скачкообразному изменению градиента проводимости, происходящему при переходе ИЭ через границу раздела компонентов расплава. Для этой цели в цепь электрода 1 включен прибор контроля градиента проводимости 7 (рис. 3.5), который через релейный блок 8 выдает импульсы для регистрации уровней раздела компонентов расплава на диаграммной ленте вторичного прибора 5.

Описанный уровнемер прошел производственные испытания на опытно-промышленной РТП свинцовой плавки. Разработка и выпуск промышленных образцов уровнемера не были организованы.

3.3 Автоматическое управление электрическим режимом шестиэлектродной руднотермической печи

Мощность, потребляемая руднотермической печью, является одним из важнейших технологических параметров плавки сульфидного медно - никелевого сырья на штейн. В процессе плавки необходимо поддерживать заданную мощность. Это позволяет достичь оптимальной структуры температурного поля в ванне печи, что обеспечивает достаточный прогрев верхнего слоя расплава, оптимальные температуры отвального шлака и штейна при выпуске из печи. Все это, в свою очередь позволяет достичь максимального проплава шихты при минимальных энергопотерях.

В настоящем разделе предлагается система автоматического управления энергетическим режимом печи. В качестве регулируемого параметра используется мощность пары электродов, а регулирующего воздействия - глубина погружения электродов в шлак и ступень напряжения электропечного трансформаторного агрегата.

При перемещении какого-либо электрода одновременно изменяется сила тока каждого электрода, причем новое значение силы тока устанавливается практически мгновенно, что характеризует электротермическую печь как безынерционный объект автоматического регулирования. Изменение силы тока происходит также под действием ряда возмущающих факторов: обгорание электродов, систематическое изменение электропроводности шлака, изменение высоты шлаковой и штейновой ванн, флуктуации электропроводности между электродами в результате конвективных потоков шлака, возникновения микродуг в приэлектродных областях и рядом других явлений. Эти возмущения являются причиной изменения токового режима печи. Регулятор должен компенсировать возмущения, и в то же время для повышения надежности системы управления необходимо обеспечить минимум перемещений электродов.

По структуре электрических цепей шести электродная печь это не трехфазная печь, а три однофазные двух электродные печи, объединенные общей ванной. Электрическая схема питания электропечи показана на рис. 3.6.

В случае, когда все печные трансформаторы работают на одной ступени напряжения, токи, протекающие от одной группы электродов к другой, достаточно малы, и ими можно пренебречь. Таким образом, шестиэлектродную печь можно рассматривать как три условно независимые однофазные двух электродные печи. Такое рассмотрение объекта управления позволяет стабилизировать мощность не только одной пары электродов, но и всей печи в целом (при установке АСР на каждую пару электродов)

Для решения задачи автоматизации РТП рассмотрим однофазную двухэлектродную плавильную печь, показанную на рис. 3.7.

Нахождение передаточных функций звеньев системы

Объект управления

Мощность на выходе объекта управления находится по следующей формуле:

P' = IМUМcosц, (3.1)

где P' - мощность двухэлектродной системы, Вт;

I - сила тока, протекающего через расплав, А;

U - напряжение между электродами, В;

сosц - коэффициент мощности [3].

Учитывая, что нагрузка печи активная (реактивная составляющая настолько мала по сравнению с активной, что ею можно пренебречь), можно принять cosц = 1. Тогда формула (3.1) будет выглядеть следующим образом:

P' = IМU (3.2)

Учитывая, что I = , можно записать:

P' =, (3.3)

где R - активное сопротивление расплава, Ом.

Сопротивление R будет зависеть от величины заглубления электродов в расплав H. Для нахождения этой зависимости используем формулу для вычисления сопротивления однофазной двухэлектродной шлаковой ванны, отнесенного к одному электроду:

r_i^э =0,5**, (3.4)

где i = 1, 2;

- удельное сопротивление шлаковой ванны, ОмМмм,

d - диаметр электродов, мм,

l - распад электродов, мм,

h_ш - высота шлаковой ванны, мм,

h_i - заглубление i-го электрода, мм [10].

Сопротивление между двумя электродами:

R =*(r₁^э+r₂^э), (3.5)

где ?эмпирический коэффициент, равный 0,96 [10].

Подставим уравнение (3.4) в (3.5), получим:

R =0,5** (3.6)

Анализируя формулу (3.6) можно заметить, что сопротивление между электродами зависит от параметров h₁, h₂, h_ш. Параметры для конкретной печи (l, d) можно условно принять константами. Последнюю величину удельное сопротивление шлака также можно считать постоянной для конкретной печи, так как условия плавки (состав исходных материалов, температура процесса и т.д.) для отдельной печи примерно всегда одинаковы во времени, а, следовательно, удельное сопротивление шлака, зависящее от этих условий, также постоянное для конкретного процесса. Для упрощения дальнейших выкладок задаем значения l, d, h_ш, ? по данным практики, причем величину h_ш выбираем средней по данным практики, ? задаем как ?_н номинальное значение удельного сопротивления шлака: l = 3 м, d = 1 м, h_ш = 1600 мм, ? = 4 Ом*см. Заглубления пары электродов можно считать одинаковыми, т.е.

h₁ = h₂ = H.

Удельное сопротивление расплава зависит от состава исходных материалов, который в свою очередь определяется выбранным режимом плавки. В настоящее время применяют два режима плавки:

1) Плавка на шлак с содержанием 40 - 42% SiO₂;

2) Бесфлюсовая плавка на шлак с содержанием SiO₂ 37% [3].

Передаточная функция объекта управления и настройки регулятора для каждого из режимов будут разными.

Плавка на шлак с высоким содержанием SiO₂

Удельное электрическое сопротивление ? для данного режима плавки по данным практики равно 4 Ом*см (40 Ом*мм).

Таким образом, зависимость электрического сопротивления от величины заглубления электродов будет выражена следующим образом:

R=

R = (3.7)

Подставим (3.7) в уравнение (3.3) и получим зависимость мощности печи от напряжения и величины заглубления электродов в расплав:

P' =, (3.8)

где P - мощность, Вт;

U - напряжение между электродами, В;

H - величина заглубления электродов в расплав, мм.

При данном режиме работы стараются подавать максимальное напряжение на электроды. Рассчитаем параметры работы печи при номинальном значении мощности (15 МВт). Зададим напряжение на стороне НН трансформатора равным максимальному, т.е. 579 В. Значение величины заглубления электродов выведем из формулы (3.8):

Н = (3.9)

Величина Н = 368 мм входит в допустимый интервал заглублений электродов (300 - 700 мм). Таким образом, при работе на шлак с высоким содержанием диоксида кремния при удельном сопротивлении расплава ? = 40 Ом*мм заданная мощность двухэлектродной системы (15 МВт) будет поддерживаться при напряжении U = 579 В и заглублении электродов Н = 368 мм.

Плавка на шлак с низким содержанием SiO₂.

Удельное электрическое сопротивление ? для данного режима плавки по данным практики равно 3 Ом*см (30 Ом*мм). Методика расчета для режима с низким содержанием SiO₂ аналогична методике, используемой в предыдущем разделе. Таким образом, используя формулы (3.7), (3.8) и (3.9), получим выражения для нахождения электрического сопротивления, мощности и глубины погружения электродов в расплав при номинальном режиме. При этом напряжение принимается равным 487 В (8-я ступень трансформатора). В результате расчета получим следующие значения:

R = (3.10)

P' =, (3.11)

Н = (3.12)

Таким образом, заданная мощность 15 МВт будет поддерживаться при напряжении 487 В и заглублении электродов в расплав 420,5 мм.

Гидравлическая система перемещения электрода

Гидравлическая система перемещения электрода представляет собой интегрирующее звено:

(3.10)

Коэффициент передачи k_г.с. находится как отношение максимально возможной скорости перемещения электродов к максимально возможному управляющему сигналу регулятора S₁:

, (3.11)

где - максимальная скорость перемещения электрода, обусловленная конструктивными особенностями печи. = 0,3 м/мин = 5 мм/с; [1]

- максимальный управляющий сигнал регулятора, В.

Так как регулятор вырабатывает стандартные сигналы в диапазоне 0 - 5 В, можно записать, что = 5 В. Таким образом:

. (3.12)

Регулятор

Регулятор имеет два входа (H и ДP) и вырабатывает два управляющих сигнала: S₁ и S₂ (рис. 3.3).

Сигнал S₁ управляет величиной заглубления электродов в шлак и зависит от ошибки ДP, S₂ подается на систему переключения ступеней напряжения трансформатора при достижении электродом крайнего верхнего или крайнего нижнего положения. Электрод погружается в расплав на величину от 300 до 700 мм [3].

При величине заглубления электрода H = 300 мм S₂ = -1, при H = 700 мм S₂ = 1. При 700 ? H ? 300 S₂ = 0. Более подробно процесс переключения ступеней напряжения рассмотрен при описании электропечного трансформаторного агрегата (п. 3.3.1.4).

Переключение ступени напряжения трансформатора позволяет грубо регулировать мощность. Точное регулирование обеспечивает величина заглубления электродов в расплав.

Передаточная функция по каналу ДP - H выбирается такой, чтобы регулятор обеспечивал максимальное быстродействие системы. Для обеспечения минимального времени регулирования выбирается П-регулятор. Заметим, что, так как последовательно с регулятором включено интегрирующее звено, статическая ошибка равна нулю.

Передаточная функция П-регулятора:

(3.13)

Электропечной трансформаторный агрегат

Трансформатор служит для преобразования переменного электрического тока одного напряжения в ток другого напряжения и состоит из сердечника - магнитопровода и двух обмоток. Обмотка, соединенная с питающей сетью, называется первичной, обмотка, соединенная с приемником тока, - вторичной.

Шестиэлектродные руднотермические печи подключены к трехфазной электрической цепи. Для трансформации тока применяют три однофазных электропечных трансформаторных агрегата ЭОЦНК-31500/35-М97. Первичная и вторичная обмотки трансформатора называются соответственно обмоткой высокого напряжения (ВН) и обмоткой низкого напряжения (НН).

Для работы печей на оптимальном электрическом режиме печные трансформаторы имеют ряд ступеней напряжения, величина которых определяется требованиями технологии электроплавки. Вторичное напряжение (сторона НН) в печных трансформаторах регулируется только путем изменения числа витков первичной обмотки. Изменять число витков во вторичной обмотке нельзя, так как там протекают токи большой силы. Для изменения числа витков первичная обмотка трансформатора выполнена с дополнительными выводами (рис. 3.9) [3].

Электропечной трансформаторный агрегат ЭОЦНК-31500/35-М97 имеет 13 ступеней напряжения.

Таблица 3.1. Соответствие ступеней напряжения трансформатора напряжению стороны НН

Ступень напряжения	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Напряжение стороны НН, В	579	566	553	540	526,5	513	500	487	474	461	447,5	434,5	421

В предлагаемой автоматической системе переключение ступеней напряжения трансформатора является грубой настройкой мощности двухэлектродной системы.

Автоматическое переключение на более высокую ступень напряжения производится при максимальном заглублении электрода (700 мм), переключение на более низкую ступень производится при минимальном уровне заглубления (300 мм). Перед переключением ступени напряжения трансформаторного агрегата печь отключается от питающей сети, отключается вся аппаратура, относящаяся к автоматической системе стабилизации мощности. Для отключения печи используется высоковольтный воздушный выключатель типа ВВ - 35.

При размыкании контактов под нагрузкой между ними возникает электрическая дуга, которая может оплавить контакты и вывести их из строя. Для гашения дуги применяется сжатый воздух, подаваемый из компрессорной установки. Для дистанционного управления высоковольтные выключатели снабжены двумя катушками: включающей и выключающей [1].

Переключение ступени напряжения длится приблизительно 5 секунд. После переключения ступени печь опять подключается к питающей сети, включаются все электрические установки системы регулирования. Система переключения ступеней напряжения трансформаторного агрегата отключается перед подключением печи к питающей сети и включается через 5 секунд после остальных систем во избежание повторного срабатывания (так как электрод в этот момент находится в крайнем положении).

Определение настроек регулятора

Критерий оптимальности - минимизация интегральной оценки переходного процесса.

J = = min (3.14)

Коэффициент передачи П-регулятора выбирается исходя из заданного критерия.

Для интегральной оценки качества управления воспользуемся программой MatLab. Система стабилизации мощности (рис. 3.8), построенная с помощью Simulinc MatLab, показана на рис. 3.10. На вход подается единичное ступенчатое возмущение, равное 10% от номинала.

Система стабилизации мощности, выполненная в Simulinc MatLab

В результате вычислений получено:

J > 0 при > - ? (3.15)

Однако следует учесть, что максимально допустимая скорость передвижения электродов равна 5 мм/с [1], т.е.:

 (3.16)

Зависимость величины заглубления электрода Н от ошибки ДР выражена следующим уравнением:

, (3.17)

где Н - величина заглубления электрода, мм;

k_г.с. - коэффициент передачи гидравлической системы перемещения электрода, равный 1 ;

k_рег. - коэффициент передачи регулятора;

ДР - ошибка на выходе системы, МВт.

Скорость перемещения электрода:

(3.18)

Коэффициент передачи П-регулятора находится по формуле:

(3.19)

Из выражения (3.18) видно, что коэффициент П-регулятора прямо пропорционален скорости перемещения электрода. В соответствии с выбранным критерием оптимальности k_рег. должен быть минимальным (выражение (3.14)). Следовательно, для получения оптимального переходного процесса скорость перемещения электрода также должна быть минимальной.



С учетом (3.15):

(3.20)

Таким образом, значение коэффициента передачи П-регулятора, найденное по формуле (3.18), будет равно:

(3.21)

Коэффициент передачи регулятора безразмерный, так как на его вход подается сигнал ДР в виде напряжения (В), на выходе вырабатывается управляющий сигнал S₁ также в виде напряжения (В).

Анализ работы системы

Плавка на шлак с высоким содержанием оксида кремния

В начальный момент времени, до подачи возмущения печь работала в установившемся режиме. Мощность двухэлектродной системы была равна заданной (15 МВт), напряжение на электродах 579 В, заглубление электродов в расплав 368 мм. При подаче на вход единичного возмущения (1,5 МВт) электроды начинают перемещаться, изменяя силу тока, протекающего через расплав и тем самым компенсируя возмущение. График перемещения электродов приведен на рис. 3.11, переходный процесс показан на рис. 3.12.



График перемещения электродов при подаче на вход единичного ступенчатого возмущения (режим плавки на шлак с высоким содержанием SiO₂)

Переходный процесс

При подаче возмущения электроды стали подниматься для повышения сопротивления между ними, мощность, соответственно, стала падать. В момент времени t = 27 секунд электроды достигли верхнего ограничителя, регулятор подал команду на понижение напряжения, и ступень стороны НН трансформатора переключилась. Этот процесс занял 5 секунд, в течение которых печь была отключена от питающей сети. После переключения напряжение стало равным 566 В, мощность стала недостаточной, и электроды стали опускаться. График перемещения электродов показан на рис. 3.11.